Wikijunior Wie Dinge funktionieren/ Die sechs einfachen Maschinen

Sechs einfache Maschinen sind:

Einfache Maschinen sind die grundlegenden Abläufe, um eine eingesetzte Kraft zu verändern. Mit dem Fahrrad können wir uns viel schneller fort bewegen, als zu Fuß, da wir mit dem Pedal (Also einer Art Hebel) die Kraft über die Kette (einer Art Flaschenzug) so verändern, dass sie ein Rad antreibt. Eine einfache Maschine ist ein Werkzeug, welches die Richtung oder die Stärke einer Kraft ändert. Vielleicht hast du bereits von einfachen Maschinen gehört und kennst sie anders. Darüber sprechen wir unten nochmal; in diesem Buch werden wir uns mit diesen sechs beschäftigen.

Was ist besonders an einfachen Maschinen?

Einfache Maschinen sind die Grundbausteine anderer, komplizierter Maschinen. Bleiben wir beim Beispiel Fahrrad: Rad, Hebel, Schraube und Flaschenzug werden zum Beispiel miteinander kombiniert für ein Fahrrad benötigt. Genauso wie die Buchstaben d,i,k und n benötigt werden für das Wort "Kind".

Wie bereits gesagt ist eine einfache Maschine ein Werkzeug, welches Richtung oder Kraft ändert. Aber wie genau geschieht das? Es ist etwas nötig, das wir Arbeit nennen. Du kennst das vom Schulweg: Wenn du zwei Kilometer zur Schule gehst, ist das anstrengender, als wenn du nur einen Kilometer zu laufen hättest. Jeder einzelne Schritt kostet etwas von deiner Kraft. Jeder einzelne Schritt bringt dich deinem Ziel aber auch näher. Es wird also ein Weg zurück gelegt (dein Schulweg). Die Kraft an einem Weg entlang, die dein Körper dafür jeweils aufwenden muss, wird von Wissenschaftlern und Ingenieuren Arbeit genannt. Wenn du also zur Schule gehst, verrichtest du Arbeit.

Ebenso ist es bei den einfachen Maschinen: Sie brauchen Kraft, um Arbeit verrichten zu können. Manchmal wird die Arbeit auch nur benötigt, um einen bestimmten Zustand herzustellen: Wenn du eine Schraube einschraubst verrichtest du dort auch Arbeit. Du ziehst sie richtig fest, dann merkst du die Kraft richtig, die du dafür brauchst. Weil die beiden Teile dann zusammengepresst werden, durch deine Arbeit, können sie sich nicht mehr bewegen. Wenn sich zwei Dinge nicht mehr gegeneinander bewegen können, dann nennen wir das haften. Hier sprechen Wissenschaftler und Ingenieure von Haftreibung. Wenn es keine Reibung gäbe, wäre die aufgewendete Kraft gleich der Arbeit die verrichtet wird. Stell dir vor, du schlitterst auf einem Wasserball über eine Rutsche zur Schule. Dabei brauchst du viel weniger Kraft, weil die Reibung geringer ist. Es ist aber auch wichtig, dass es diese Haftung gibt, sonst könnte die Schraube ja gar nicht halten.

Einfache Maschinen werden oft verwendet, um die Wirkungskraft zu erhöhen oder ihre Wirkungsweise zu verändern. Das Verhältnis zwischen aufgewendeter Kraft und Wirkungskraft wird Kraft-Wirkungsverhältnis genannt. Wenn du also mit dem Fahrrad zur Schule fährst, benutzt du die aufgewendete Kraft in die Pedale für die Arbeit, schneller zur Schule zu kommen, als zu Fuß (du benutzt vier einfache Maschinen, um eine andere Wirkung zu bekommen: Den schnelleren Schulweg).

Wann kam man auf die Idee?

Die Idee einer „einfachen Maschine“ ist eng mit dem griechischen Philosophen Archimedes verbunden. Er lebte ungefähr 200 Jahre bevor Jesus geboren wurde und erforschte die Schiefe Ebene, den Flaschenzug und die Schraube. Außerdem entdeckte er die mechanischen Vorteile, die der Hebel mit sich brachte, indem er mit Hilfe eines Hebels ein großes Schiff ins Wasser schob, das an Land gebaut wurde. Er sagte damals, wenn er nur einen Hebel hätte, der lang genug wäre und etwas wo er ihn drauf legen könne, dann könnte er die gesamte Welt aus ihren Angeln heben. Zwischen 1400 und 1600 (wir nennen diese Zeit Renaissance, das ist französisch und spricht sich ungefähr: Renesas) wurden die klassischen fünf einfachen Maschinen (ohne den Keil) als eine Gruppe betrachtet. Der italienische Wissenschaftler Galileo Galilei erforschte um das Jahr 1600 die theoretische Funktionsweise der einfachen Maschinen. Er verstand als erster, dass einfache Maschinen die hineingesteckte Kraft nur ändern, aber keine zusätzliche Kraft erschaffen.

Gibt es noch mehr verschiedene einfache Maschinen?

Wie du oben auf dem Bild sehen kannst, sind dort noch viele weitere einfache Maschinen gezeichnet. Die Frage ist, welche Maschinen wirklich die einfachsten Bausteine sind. So gibt es auch die Möglichkeit, ein einfaches Seil oder eine Stange als einfache Maschine zu bezeichnen. Diese „Maschine“ benutzen wir oben bereits einfach, ohne darüber nachzudenken, nämlich beim Flaschenzug. Wäre eine Rolle nützlich, ohne ein Seil? Genauso, wie wir gerade diesen Zusammenhang entdecken, so haben auch Menschen diesen Zusammenhang in der Geschichte entdeckt: Ein Keil und eine schiefe Ebene sind sich sehr ähnlich; ebenso Rolle und Rad. Der Wunsch komplexe Maschinen aus einfachen Maschinen zu bauen (du erinnerst dich an das Fahrrad oben?), führte dazu sich nur die einfachst möglichen Maschinen anzuschauen. Und so finden wir das auch zum Beispiel in der deutschen Wikipedia, wo von den vier einfachen Maschinen gesprochen wird: Rolle, Hebel, schiefe Ebene und Stange/Seil.

Aber das sind doch keine Maschinen wirst du sagen. Nicht ganz zu unrecht, aber sie machen genau das, über das wir oben schon gesprochen haben: Sie verändern eine Kraftwirkung. Sie ändern die Richtung (Rolle), sie ändern den Ort (Seil/Stange) oder sie ändern zugunsten des Wegs die Größe der Kraft (Hebel und schiefe Ebene). Wir haben eben schon das Seil im Flaschenzug gefunden, findest du die schiefe Ebene und die Stange in der Schraube?

Wo kann ich mehr erfahren

Ein Arbeitsblatt für die Schule. Vielleicht kannst du deinem Lehrer vorschlagen mit deiner ganzen Klasse darüber zu sprechen?